第四章_汽车外形设计与空气动力学

1.空气动力学基础知识
如果我们把空气想象成薄层的话，当气流经过车身时保持流线状态 ，说明空气阻力对车身的影响较小。一旦这种流线气流被打破并与 车身轮廓分离便会产生乱流，从而产生空气阻力。其实最理想的低 风阻形状是类似泪滴的圆滑造型，头部圆滑而尾部尖细。理论上， 这种泪滴造型的Cd风阻系数只有0.05。
汽车空气动力学
1.1 连续性方程和伯努利方程(Bernoulli’s Law)
连续性方程
对于定常流动，流过流束任一截面的流量彼此相等 ，即
ρ1V1A1= ρ2V2A2 = ······=常数 对于不可压缩流体（ρ1= ρ2 = ······=常数），有
V1A1= V2A2 = ······=常数 连续性方程是质量守恒定律在流体力学中
• 分离是产生在附面层 • 流体没有粘度，就没有附面层。 • 没有附面层，就不会产生气流分离现象。
• 汽车上的分离区 气流在前风窗下部、车顶前端、行李前部
等处分离后，又重新附着，形成分离区（亦称 为“气泡”( bubble)）。
1.空气动力学基础知识节
1.3 压力系数
定义
常用压力系数来表示物体在气流流场中表面各点压力的大小。
DCd
•
V2
2
•
A
式中，空气阻力系数Cd是表征汽车空气动力特 性的重要指标，它主要取决于汽车外形，也与
流速有关。
空气升力Ｌ、空气侧向力Ｓ表示为
LCL
•
V2
2
•A
S
CY
•
V2
2
•
A
2. 汽车空气动力与空气动力矩
空俯仰气力动矩力矩M 的Y 表L 达式C X D C Z (C L X C C dZ C )V 22A
令
C LXCC dZClC MY
则
MY
CMY
V2
2
Al
一般取汽车的轴距作为特征长度l 。
类似地，侧倾力矩MX、横摆力矩MZ也表示为
MX
CMX
V2
2
Al
MZ
CMZ
V2
2
Al
汽车空气动力学
3.空气阻力
3.1 空气阻力的分类
• 伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式 。
• 流速越大，动压力越大，压力（静压力）越小。
1.空气动力学基础知识节
文丘里效应(Venture Effect)：
流体经过狭窄通道时压力减小的现象。
发动机化油器喉管
同向行舟:
热水淋浴器:
吹纸条:
球浮气流：
1.空气动力学基础知识节
1.2 空气的粘滞性和气流分离现象
• 轿车的横截面积分布和气流压力梯度
1.空气动力学基础知识节
气流分离现象(flow separation)
当气流越过物面的最高点后，气流流束扩大、流速减小，具有逆压 梯度。气体是顶着压力的增高流动。在因粘滞损失而使能量较低的附面 层内，流动尤为困难。
P 在物面法向速度梯度为零( Y Y=0 =0 )时，气流开始分离。靠近物面 的气流先停止流动，进而反向流动，形成涡流区，将继续流动的气流与 物面隔开。
e e
1.空气动力学基础知识节
• 尾流区
在分离点后，是一不规则流动的 涡流区，总体上是静止不动的“死水 区”。物体向前运动时，它随之运动 ，故称“尾流”。
尾流区内各点压力几乎相等，与 分离点处压力相同。
• 压差阻力(pressure drag )
在物体背流面，流束的扩展受到尾流区的限制，使流束截面较比迎流面 小，其压力较迎流面低。而尾流区的压力与相邻流体压力接近。这就使物体 在主气流方向上受到一个称为“压差阻力”的作用。 • 影响气流分离的因素 • 压力梯度
轿车空气动力性的差异可使空气阻力相差别30%，燃油消耗相差达12%以上。
• 对安全性的影响
• 高速时的加速性能影响行车的安全； • 空气升力影响汽车操纵稳定性和制动性； • 空气动力稳定性影响汽车的操纵稳定性。
• 对汽车外观的影响 • 汽车的空气动力特性主要取决于汽车外形； • 空气动力学影响着人们的审美观。
• 将空气动力平移至汽车质心Cg，就有一附加力矩，其三个分力矩分别为： 侧倾力矩(Rolling Moment) MX、俯仰力矩(Pitching Moment) MY、横
摆力矩(Yow Moment) MZ。
空气动力的表达式
空气阻力Ｄ与气流速度的平方V2成正比，与汽车迎风面积Ａ成正比。常
表示为与动压力、迎风面积成正比的形式：
的表现形式。 汽车周围的空气压力变化不大，可近似认
为空气密度不变。
1.空气动力学基础知识节
伯努利方程
对 于 不 可 压 缩 流 体 ， 有 ： mgz+mp/ρ+mV2/2= 常 数 即流体的重力势能、压力势能、动能之和为一常数。
当气体流速不太高时，密度ρ可视为不变，且气体的重 力很小，则 p/ρ+V2/2=常数 或 p+ρV2/2=常数 即静压 力与“动压力”之和为一常数。
压力系数定义： CP
= P－P∞
ρV 2/∞2
；
可整理为： CP = 1－ (VV∞ )2
ＣＰ≤１。ＣＰ＝１处，Ｖ＝０，是驻点。
表示方法
矢量法
坐标法
汽车空气动力学
2.汽车空气动力与空气动力矩
• 空气静压力的合力为空气动力，其三个分力分别为：
空气阻力(Drag)Ｄ、空气升力(Lift)Ｌ、空气侧向力(Side Force)Ｓ。
附面层(boundary layer)
由于流体的粘性，靠近物面处的流体有粘附在物面的趋势，于是有一流 速较低的区域，即为附面层。
附面层随流程的增加而增厚。 附面层的流态由层流转捩为紊流。
1.空气动力学基础知识节
顺压梯度和逆压梯度
• 顺压梯度：顺流动方向压力降低。（流速↑，压力↓） 逆压梯度：顺流动方向压力升高。（流速↓，压力↑）
汽车空气动力学
汽车受到的外力 路面作用力 空气动力 重力
前言Байду номын сангаас
空气动力学对汽车性能的影响
• 对动力性的影响
• 影响高速时的加速性能; • 影响最高车速。
• 对燃油经济性的影响
对于CdA=0.8m2的轿车， v=65km/h时，55%的能量克服空气阻力； v=90km/h时，70%的能量克服空气阻力；
只有在逆压梯度条件下才会产生分离。 逆压梯度越大，越易分离。 • 流态
紊流可使主气流中的能量更多地传递到附面层，比层流更不易分离。
1.空气动力学基础知识节
• 减小形状阻力的措施 • 降低逆压梯度 减缓物体背流面的截面变化，使分离 点（分离线）向后移，减小尾流区。 • 增大紊流度 增大物面的粗糙度。